JP5084802B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
電子機器の電源として、小型化・軽量化が期待される二次電池としてリチウムイオン二次電池が期待されている。これらのリチウムイオン二次電池の正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のLiを含有する金属酸化物が検討され、実用化されている。 As a power source for electronic equipment, a lithium ion secondary battery is expected as a secondary battery expected to be reduced in size and weight. As the positive electrode active material of these lithium ion secondary batteries, metal oxides containing Li such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ) and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) have been studied and put into practical use.
しかしながら、近年、電池の低コスト化への要求が高まるにつれ、安価な材料を用いて長寿命化する技術開発が要求されている。 However, in recent years, as the demand for reducing the cost of batteries has increased, there has been a demand for the development of technology for extending the life using inexpensive materials.
そのために、正極材料としては、資源的に豊富であり安価であり、過充電などの濫用時においても熱的に安定であるとの特長を有していることから、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)が注目されている。 Therefore, as a positive electrode material, lithium manganate (LiMn 2 O) has the characteristics that it is abundant in resources, is inexpensive, and is thermally stable even during abuse such as overcharge. 4 ) is attracting attention.
しかしながら、マンガン酸リチウムは、電解液中に存在するHFなどによりMnが溶出するなどの問題から、充放電サイクルに伴い、容量の低下や抵抗の上昇などが発生し、寿命特性に関して課題があった。 However, lithium manganate has a problem in terms of life characteristics due to problems such as elution of Mn due to HF and the like present in the electrolytic solution, resulting in a decrease in capacity and an increase in resistance accompanying the charge / discharge cycle. .
マンガン酸リチウムの充放電特性を改善させるために、これまでさまざまな検討がなされている。 In order to improve the charge / discharge characteristics of lithium manganate, various studies have been made so far.
特許文献1及び特許文献2においては、マンガン酸リチウムに層状系リチウムMn酸化物を混合する手法が提案されている。
In
すなわち、特許文献1には、リチウムマンガン複酸化物を正極活物質の主体とするリチウム二次電池において、前記リチウムマンガン複酸化物は結晶構造が異なる2種以上のリチウムマンガン複酸化物を含み、かつ、前記正極の可逆容量が負極の可逆容量以下であるリチウム二次電池が開示されている。このリチウム二次電池によれば、充電時の負極の負担を軽減し、負極の劣化を抑制することができると記載されている。
That is, in
また、特許文献2には、正極シートと負極シートとがセパレータ及び非水電解液を介して形成される電極群と、前記電極群を収容するラミネート状の外装ケースと、前記正極シート及び前記負極シートのそれぞれに接続される正極リード及び負極リードと、を有する非水系二次電池において、前記正極シートに形成される正極に使用される正極活物質は、スピネル系リチウムマンガン酸化物及び層状系リチウムマンガン酸化物を含有し、前記非水系電解液は、カーボネート系の非水系溶媒にリチウム塩を溶解させた非水系溶液に、ホウ素を含有するリチウム化合物(LiBF4を除く)を有する非水系二次電池が開示されている。この非水系二次電池は、ホウ素を含有するリチウム化合物を添加することにより、パルス充放電における出力の維持率を高くすることができると記載されている。
Further,
特許文献3には、不飽和スルトンを含有する非水電解液が開示されている。この非水電解液を用いることにより、非水電解液二次電池の高温保存時におけるガス発生や自己放電を抑制することができると記載されている。
特許文献4には、層状構造のリチウム含有複合酸化物を活物質とする正極、負極、セパレータおよび非水電解液を備え、満充電時の正極の電位がLi基準で4.35V以上となる非水電解液二次電池であって、上記非水電解液が、ビニルエチレンカーボネートまたはその誘導体と、所定の環状硫酸エステル誘導体または所定の環状スルホン酸エステル誘導体とを含有する非水電解液二次電池が開示されている。
特許文献5には、層状構造を有するリチウム含有金属複合酸化物からなる正極活物質を用いた正極と、負極と、非水系溶媒に電解質が溶解された非水電解液とを備えた非水電解質二次電池において、上記のリチウム含有金属複合酸化物におけるリチウムを除く金属中にニッケルが50モル%以上含有された正極活物質を用いると共に、上記の非水電解液に、環内に不飽和結合を有するイオウ含有環状化合物を0.1〜5重量%の範囲で添加させた非水電解質二次電池が開示されている。
特許文献6には、正極、負極及び非水電解質を備えた非水電解質二次電池において、前記非水電解質は、所定の化学式で示される不飽和スルトンを少なくとも一種類含み、前記正極が含有する正極活物質は、層状のα−NaFeO2型結晶構造を有する複合酸化物LixMnaNibCocOd(0<x<1.3、a+b+c=1、1.7≦d≦2.3)であって、|a−b|<0.03であり、且つ0.33≦c<1である非水電解質二次電池が開示されている。
In
特許文献7には、正極、負極、セパレータおよび非水電解液を備え、充電後の正極の電位がLi基準で4.35V以上である非水電解液二次電池であって、上記正極は、マンガンを構成元素として含む層状構造のリチウム含有複合酸化物またはマンガンを構成元素として含むスピネル構造のリチウム含有複合酸化物を活物質として含有しており上記非水電解液は、所定の環状硫酸エステル誘導体または所定の環状スルホン酸エステル誘導体を含有する非水電解液二次電池が開示されている。
特許文献8には、少なくとも層状構造およびスピネル構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を有する非水電解質二次電池用正極活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、X線回折法により得られる2θ=18.4〜19.6°の間に二つ以上の独立したピークを有する非水電解質二次電池用正極活物質が開示されている。 Patent Document 8 discloses a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a lithium transition metal composite oxide having at least a layered structure and a spinel structure, wherein the lithium transition metal composite oxide is obtained by an X-ray diffraction method. A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery having two or more independent peaks between 2θ = 18.4 and 19.6 ° is disclosed.
本発明は、マンガン酸リチウムに層状系リチウムMn酸化物を混合した正極材料を用いるリチウムイオン二次電池の、充放電範囲が広いサイクルにおける抵抗上昇を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress an increase in resistance in a cycle having a wide charge / discharge range of a lithium ion secondary battery using a positive electrode material in which a layered lithium Mn oxide is mixed with lithium manganate.
本発明のリチウムイオン二次電池は、スピネルマンガンと層状系リチウムマンガン酸化物とを含む正極活物質と、負極活物質と、電解液とを含むリチウムイオン二次電池において、前記電解液は、ビニレンカーボネートおよび不飽和スルトンを含むことを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery including a positive electrode active material containing spinel manganese and a layered lithium manganese oxide, a negative electrode active material, and an electrolyte solution, wherein the electrolyte solution is vinylene. It contains carbonate and unsaturated sultone.
本発明によれば、充放電サイクルにおける抵抗上昇が抑制され、長寿命であるリチウムイオン二次電池を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the lithium ion secondary battery which the resistance rise in a charging / discharging cycle is suppressed and is long life.
本発明は、寿命特性に優れたリチウムイオン二次電池の電解液添加剤に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte solution additive for a lithium ion secondary battery having excellent life characteristics.
本発明は、安価で熱安定性の高いマンガン酸リチウムをリチウムイオン二次電池の正極活物質として適用するために、層状系リチウムMn酸化物(層状系リチウムマンガン酸化物)を混合し、更に用いる電解液にVC(ビニレンカーボネート)と不飽和スルトンとを添加・混合する。これにより、充放電サイクルにおける容量低下及び抵抗上昇を抑制し、リチウムイオン二次電池としての長寿命化を実現できる。 The present invention mixes and further uses layered lithium Mn oxide (layered lithium manganese oxide) in order to apply inexpensive and highly heat-stable lithium manganate as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. VC (vinylene carbonate) and unsaturated sultone are added to and mixed with the electrolytic solution. Thereby, the capacity | capacitance fall and resistance rise in a charging / discharging cycle can be suppressed, and the lifetime improvement as a lithium ion secondary battery is realizable.
図1は、リチウムイオン二次電池の断面概略図を示したものである。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池(リチウム二次電池とも呼ぶ。)は、正極板1と負極板2との間にセパレータ3を介在させた構成を有する。これらの正極板1、負極板2およびセパレータ3が捲回され、非水電解液と共にステンレス製またはアルミニウム製の電池缶4に封入される。
A lithium ion secondary battery (also referred to as a lithium secondary battery) has a configuration in which a
正極板1には正極リード片7が、負極板2には負極リード片5が、それぞれ接続してあり、電流が取り出されるようになっている。正極板1と負極リード片5との間、及び負極板2と正極リード片7との間には、それぞれ絶縁板9が設置してある。また、負極リード片5と接触している電池缶4と正極リード片7と接触している密閉蓋部6との間には、電解液の漏れを防止するとともに、プラス極とマイナス極とを分けるパッキン8が設置してある。
A positive
正極板1は、アルミニウム等で形成された集電体に正極合剤を塗布したものである。正極合剤は、リチウムの吸蔵放出に寄与する正極活物質、導電材、結着剤等を含む。
The
負極板2は、銅等で形成された集電体に負極合剤を塗布したものである。負極合剤は、リチウムの吸蔵放出に寄与する負極活物質、導電材、結着剤等を含む。
The
負極活物質としては、金属リチウム、炭素材料、或いは、リチウムを挿入可能又はリチウムの化合物を形成可能な材料を用いることができ、炭素材料が特に好適である。 As the negative electrode active material, metallic lithium, a carbon material, or a material capable of inserting lithium or forming a lithium compound can be used, and a carbon material is particularly preferable.
炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛類および石炭系コークス、石炭系ピッチの炭化物、石油系コークス、石油系ピッチの炭化物、ピッチコークスの炭化物等の非晶質炭素がある。好ましくは、上記の炭素材料に種々の表面処理を施したものが望ましい。 Examples of the carbon material include graphite such as natural graphite and artificial graphite, and amorphous carbon such as coal-based coke, coal-based pitch carbide, petroleum-based coke, petroleum-based pitch carbide, and pitch-coke carbide. Preferably, the above carbon material is subjected to various surface treatments.
これらの炭素材料は、1種類で用いるだけでなく、2種類以上を組み合わせて用いることもできる。また、リチウムを挿入もしくは化合物の形成が可能な材料としては、アルミニウム、スズ、ケイ素、インジウム、ガリウム、マグネシウムなどの金属およびこれらの元素を含む合金、スズ、ケイ素などを含む金属酸化物が挙げられる。さらにまた、前述の金属や合金や金属酸化物と黒鉛系や非晶質炭素の炭素材料との複合材が挙げられる。 These carbon materials can be used not only in one kind but also in combination of two or more kinds. Examples of the material capable of inserting lithium or forming a compound include metals such as aluminum, tin, silicon, indium, gallium, and magnesium, alloys containing these elements, and metal oxides containing tin, silicon, and the like. . Furthermore, the composite material of the above-mentioned metal, an alloy, a metal oxide, and the carbon material of a graphite type or an amorphous carbon is mentioned.
正極板1の活物質(正極活物質)の一つとしては、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(以下、「スピネルマンガン」と略称する場合もある。)を用いる。
As one of the active materials (positive electrode active material) of the
このスピネルマンガンとして、具体的には、一般式LiaMnbMcO4(但し、a+b+c=3、1.0≦a≦1.1、0<c≦0.07である。Mは、Ni、Fe、Zn、Mg及びCuからなる群より選ばれる少なくとも一種である。)で示されるものを用いる。 As this spinel manganese, specifically, the general formula Li a Mn b M c O 4 (where a + b + c = 3, 1.0 ≦ a ≦ 1.1, 0 <c ≦ 0.07. M is And at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Zn, Mg and Cu).
前記スピネルマンガンは、LiMn2O4を母材とし、M置換による劣化抑制を図ったものである。Li、Mn及びMの含有量の和a+b+cは、母材であるLiMn2O4のスピネル構造を維持するため、a+b+c=3が好ましい。a+b+c≠3の場合には、スピネル構造が乱れてしまう。 The spinel manganese has LiMn 2 O 4 as a base material and is intended to suppress deterioration due to M substitution. The sum a + b + c of the contents of Li, Mn and M is preferably a + b + c = 3 in order to maintain the spinel structure of LiMn 2 O 4 which is the base material. When a + b + c ≠ 3, the spinel structure is disturbed.
Liの含有量aは、1.0≦a≦1.1であるが、a<1.0の場合には、Liサイトを他の元素が占有するため、Liイオンの拡散が阻害される。また、1.1<aの場合には、正極活物質におけるMn等の遷移金属の含有量がLiの含有量に対して相対的に減少してしまい、リチウムイオン二次電池の容量が低下してしまう。更に好ましい範囲は、1.06≦a≦1.1である。 The Li content a is 1.0 ≦ a ≦ 1.1, but when a <1.0, the Li site is occupied by other elements, so that the diffusion of Li ions is inhibited. In the case of 1.1 <a, the content of transition metals such as Mn in the positive electrode active material is relatively decreased with respect to the content of Li, and the capacity of the lithium ion secondary battery is decreased. End up. A more preferable range is 1.06 ≦ a ≦ 1.1.
M(Ni、Fe、Zn、Mg及びCuからなる群より選ばれる少なくとも一種)の含有量cは、0<c≦0.07であるが、c=0の場合、Mnの平均価数が3.5未満となり、結晶構造が不安定になるため、充放電によって多量のマンガンが電解液中に溶出して劣化を促進する。一方、0.07<cの場合、Mは2価で置換されるので、電気的中性を保つためにMnの価数が大幅に増加する。スピネルマンガンの充放電はMnの価数変化によって行われるため、Mnの価数が増加するとリチウムイオン二次電池の容量が低下してしまう。更に好ましい範囲は、0.01≦c≦0.03である。 The content c of M (at least one selected from the group consisting of Ni, Fe, Zn, Mg and Cu) is 0 <c ≦ 0.07, but when c = 0, the average valence of Mn is 3 Since the crystal structure becomes unstable because of less than .5, a large amount of manganese is eluted in the electrolytic solution by charge and discharge, thereby promoting deterioration. On the other hand, in the case of 0.07 <c, since M is substituted with bivalent, the valence of Mn is greatly increased in order to maintain electrical neutrality. Since charge / discharge of spinel manganese is performed by changing the valence of Mn, the capacity of the lithium ion secondary battery decreases when the valence of Mn increases. A more preferable range is 0.01 ≦ c ≦ 0.03.
もう一種類の正極板1の活物質としては、Li(CoxNiyMnz)O2(x+y+z=1)を用いる。以下、この活物質を層状系リチウムマンガン酸化物とも呼ぶ。 As another type of active material of the positive electrode plate 1, using Li (Co x Ni y Mn z ) O 2 (x + y + z = 1). Hereinafter, this active material is also referred to as a layered lithium manganese oxide.
リチウムイオン二次電池の作製方法の一例は、以下に示す通りである。 An example of a method for manufacturing a lithium ion secondary battery is as follows.
正極活物質を炭素材料粉末の導電材およびポリフッ化ビニリデン等の結着剤と共に混合してスラリーを作製する。正極活物質に対する導電材の混合比は3〜10重量%が望ましい。また、正極活物質に対する結着剤の混合比は2〜10重量%が望ましい。この際、マンガン酸リチウムと層状系リチウムMn酸化物との混合割合は、重量比で90:10〜50:50程度であることが望ましい。そして、正極活物質をスラリー中で均一に分散させるため、混練機を用いて充分な混練を行うことが好ましい。 A positive electrode active material is mixed with a conductive material of carbon material powder and a binder such as polyvinylidene fluoride to prepare a slurry. The mixing ratio of the conductive material to the positive electrode active material is preferably 3 to 10% by weight. The mixing ratio of the binder to the positive electrode active material is preferably 2 to 10% by weight. At this time, the mixing ratio of the lithium manganate and the layered lithium Mn oxide is preferably about 90:10 to 50:50 by weight. And in order to disperse | distribute a positive electrode active material uniformly in a slurry, it is preferable to fully knead | mix using a kneader.
得られたスラリーは、例えばロール転写機などによって、厚み15〜25μmのアルミ箔上に両面塗布する。両面塗布した後、プレス乾燥することによって正極板1の電極版を形成する。正極活物質、導電材及び結着剤を混合した合剤部分の厚さは200〜250μmが望ましい。
The obtained slurry is coated on both sides of an aluminum foil having a thickness of 15 to 25 μm by, for example, a roll transfer machine. After coating on both sides, the electrode plate of the
負極は、正極と同様に結着剤と混合して塗布し、プレス乾燥して電極を形成する。ここで、負極合剤の厚さは100〜150μmが望ましい。負極板2には、集電体として厚さ7〜20μmの銅箔を用いる。塗布する材料の混合比は、負極活物質と結着剤との重量比で、例えば、90:10乃至98:2程度であることが望ましい。
The negative electrode is mixed with a binder and applied in the same manner as the positive electrode, and press dried to form an electrode. Here, the thickness of the negative electrode mixture is preferably 100 to 150 μm. For the
得られた電極板は所定の長さに切断し、電極を形成して、電流引き出し部のタブ部をスポット溶接または超音波溶接により形成する。タブ部は、長方形の形状をした集電体とそれぞれ同じ材質の金属箔からできており、電極から電流を取り出すために設置するものであり、正極リード7および負極リード5となる。
The obtained electrode plate is cut to a predetermined length to form an electrode, and the tab portion of the current drawing portion is formed by spot welding or ultrasonic welding. The tab portion is made of a metal foil made of the same material as the current collector having a rectangular shape, and is installed to take out current from the electrode, and becomes the
タブ付けされた正極板1および負極板2の間に微多孔質膜、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などで形成されたセパレータ3を挟んで重ね、これを円筒状に捲いて電極群とし、円筒状容器である電池缶4に収納する。あるいは、セパレータに袋状のものを用いてこの中に電極を収納し、これらを順次重ねて角型容器に収納してもよい。容器の材質はステンレスまたはアルミが望ましい。
A microporous film, for example, a
電池群を電池缶4に収納した後、非水電解液を注入し、蓋部6およびパッキン8を用いて密封する。
After the battery group is stored in the battery can 4, a non-aqueous electrolyte is injected and sealed using the
非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、メチルアセテート(MA)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、ビニレンカーボネート(VC)等の溶媒に、電解質としてリチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、リチウムパークロレート(LiClO4)、リチウムビス−オキサラトボレート(LiBOB)等のリチウム塩を溶解させたものを用いることが望ましい。電解質の濃度は0.7〜1.5Mが望ましい。 Non-aqueous electrolytes include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), methyl acetate (MA), and methyl propyl carbonate (MPC). In a solvent such as vinylene carbonate (VC), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium bis-oxalatoborate (LiBOB) and the like as an electrolyte It is desirable to use a solution in which a lithium salt is dissolved. The concentration of the electrolyte is preferably 0.7 to 1.5M.
これにより、作製されたリチウムイオン二次電池は、一対の正極および負極が、セパレータおよび非水電解液を介して対向した構成であって、高いエネルギー密度と優れたハイレート特性とを有するリチウムイオン二次電池を提供することができる。 Thus, the manufactured lithium ion secondary battery has a configuration in which a pair of positive and negative electrodes face each other with a separator and a non-aqueous electrolyte therebetween, and has a high energy density and excellent high rate characteristics. A secondary battery can be provided.
以下に、本発明の実施例を示す。本発明は、これらの実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。 Examples of the present invention are shown below. It goes without saying that the present invention is not limited to these examples.
本実施例におけるリチウムイオン二次電池の作製方法の一例は、以下に示す通りである。 An example of a method for manufacturing the lithium ion secondary battery in this example is as follows.
18650(直径18mm×高さ650mm)型電池の作製について説明する。 The production of an 18650 (diameter 18 mm × height 650 mm) type battery will be described.
最初に、正極活物質、炭素材料粉末の導電材、PVdFの結着剤を、重量比で90:4.5:5.5となるように混合し、適量のNMPを加えてスラリーを作製した。この際の正極活物質としては、マンガン酸リチウム(スピネルマンガン)と層状系リチウムMn酸化物とを等量の重量割合で混合したものを用いた。作製されたスラリーをプラネタリーミキサーで3時間攪拌して、混練を行った。 First, a positive electrode active material, a carbon material powder conductive material, and a PVdF binder were mixed at a weight ratio of 90: 4.5: 5.5, and an appropriate amount of NMP was added to prepare a slurry. . As the positive electrode active material at this time, a mixture of lithium manganate (spinel manganese) and layered lithium Mn oxide at an equal weight ratio was used. The prepared slurry was stirred for 3 hours with a planetary mixer and kneaded.
次に、混練されたスラリーを、ロール転写機の塗布機を用いて、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布した。これをロールプレス機で合剤密度が2.65g/cm3となるようにプレスし、正極を得た。 Next, the kneaded slurry was applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 20 μm using an applicator of a roll transfer machine. This was pressed with a roll press machine so that the mixture density was 2.65 g / cm 3 to obtain a positive electrode.
負極活物質として非晶質炭素を、導電材としてカーボンブラックを、結着剤としてPVdFを用い、重量比で92.2:1.6:6.2となるように混合し、スラリーミキサーで30分攪拌して混練を行った。 Amorphous carbon is used as the negative electrode active material, carbon black is used as the conductive material, PVdF is used as the binder, and the mixture is mixed at a weight ratio of 92.2: 1.6: 6.2. The mixture was stirred for a few minutes and kneaded.
混練されたスラリーを、塗布機を用いて、厚さ10μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥した後に、ロールプレスでプレスし、負極を得た。 The kneaded slurry was applied on both sides of a 10 μm thick copper foil using an applicator, dried, and then pressed with a roll press to obtain a negative electrode.
正極および負極の電極を、それぞれ所定の大きさに裁断し、これらの電極においてスラリーを塗布していない部分(未塗布部)に超音波溶接によって集電タブを設置した。 The positive electrode and the negative electrode were each cut into a predetermined size, and a current collecting tab was installed by ultrasonic welding on a portion of these electrodes where the slurry was not applied (uncoated portion).
これらの正極および負極の電極の間に多孔性のポリエチレンフィルムを挟んで円筒状に捲回した後に、18650型電池缶に挿入した。 A porous polyethylene film was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, wound into a cylindrical shape, and then inserted into a 18650 type battery can.
集電タブと電池缶の蓋部とを接続した後、電池缶の蓋部と電池缶とをレーザー溶接により溶接して電池を密封した。 After connecting the current collector tab and the lid of the battery can, the lid of the battery can and the battery can were welded by laser welding to seal the battery.
最後に、電池缶に設けた注液口から非水電解液を注入して18650型電池を得た。なお、電池重量は38gであった。 Finally, a nonaqueous electrolyte was injected from a liquid injection port provided in the battery can to obtain an 18650 type battery. The battery weight was 38 g.
電解液としては、EC(エチレンカーボネート)とEMC(エチルメチルカーボネート)との混合溶媒に1.0molのLiPF6を溶解し、これにVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を、それぞれ混合後の電解液の全体に対して1wt%となる分量添加したものを用いた。 As an electrolytic solution, 1.0 mol of LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of EC (ethylene carbonate) and EMC (ethyl methyl carbonate), and VC (vinylene carbonate) and 1,3-Prop which are unsaturated sultone were dissolved therein. -1-ene Sultone (chemical formula: C 3 H 4 O 3 S) was added in an amount of 1 wt% with respect to the total electrolyte solution after mixing.
以下、電池のサイクル特性評価について説明する。 Hereinafter, the cycle characteristic evaluation of the battery will be described.
作製した電池を25℃の恒温槽に移して1時間保持した。初期の充放電は、0.3Aの電流で4.2Vまで定電流/定電圧で充電した後、0.3Aの電流で2.7Vまで放電した。その後、1Aの電流で4.2Vまで定電流/定電圧で充電した後、1Aの電流で2.7Vまでの放電を3サイクル繰り返した。そして、3サイクル目の放電容量を、本発明の初期放電容量として評価した。 The produced battery was transferred to a constant temperature bath at 25 ° C. and held for 1 hour. In the initial charge / discharge, the battery was charged at a constant current / constant voltage up to 4.2 V at a current of 0.3 A, and then discharged to 2.7 V at a current of 0.3 A. Then, after charging at a constant current / constant voltage up to 4.2 V with a current of 1 A, discharging up to 2.7 V with a current of 1 A was repeated 3 cycles. The discharge capacity at the third cycle was evaluated as the initial discharge capacity of the present invention.
その後、45℃に保持された恒温槽内に電池を移し、0.5Aの電流で4.2Vまで定電流で充電した後、0.5Aの電流で3Vまでの放電を200サイクル繰り返した。200サイクル終了後、電池を25℃に保持された恒温槽内へ移し、電池温度が25℃となるまで3時間保持した。その後、1Aの電流で4.2Vまで定電流/定電圧で充電した後、1Aの電流で2.7Vまでの放電を3サイクル繰り返し、3サイクル目の放電容量をサイクル後の容量として評価した。そして、45℃の恒温槽内へ移し、0.5Aの充放電サイクルを継続した。サイクル評価は、積算サイクル数が1000サイクルに到達するまで実施した。 Thereafter, the battery was transferred into a thermostat kept at 45 ° C., charged at a constant current of up to 4.2 V with a current of 0.5 A, and then discharged up to 3 V with a current of 0.5 A was repeated 200 cycles. After the end of 200 cycles, the battery was transferred into a constant temperature bath maintained at 25 ° C. and held for 3 hours until the battery temperature reached 25 ° C. Thereafter, the battery was charged at a constant current / constant voltage up to 4.2 V at a current of 1 A, and discharge up to 2.7 V at a current of 1 A was repeated three cycles, and the discharge capacity at the third cycle was evaluated as the capacity after the cycle. And it moved in a 45 degreeC thermostat, and continued the 0.5 A charging / discharging cycle. The cycle evaluation was performed until the cumulative number of cycles reached 1000 cycles.
電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を、それぞれ混合後の電解液の全体に対して1.5wt%となる分量添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で行った。 VC (vinylene carbonate) and 1,3-Prop-1-ene Sultone (chemical formula: C 3 H 4 O 3 S) that are unsaturated sultone and 1. The process was performed under the same conditions as in Example 1 except that an amount of 5 wt% was added.
電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を、それぞれ混合後の電解液の全体に対して0.5wt%となる分量添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で行った
(比較例1)
電解液にVC(ビニレンカーボネート)を混合後の電解液の全体に対して1.0wt%となる分量添加したこと以外は、実施例1と同じ条件で行った。
VC (vinylene carbonate) and 1,3-Prop-1-ene Sultone (chemical formula: C 3 H 4 O 3 S), which are unsaturated sultone, are added to the electrolyte solution in an amount of 0. Except that the amount of 5 wt% was added, it was performed under the same conditions as in Example 1 (Comparative Example 1).
This was performed under the same conditions as in Example 1 except that VC (vinylene carbonate) was added to the electrolytic solution in an amount of 1.0 wt% with respect to the total electrolytic solution.
(比較例2)
正極活物質をマンガン酸リチウム(スピネルマンガン)単独としたこと以外は、実施例1に準じて行った。
(Comparative Example 2)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the positive electrode active material was lithium manganate (spinel manganese) alone.
「直流抵抗の評価方法」
本発明で作製評価した18650電池の抵抗評価方法を以下に示す。抵抗としては、電流−電圧プロットの傾きから直流抵抗を計測した。
"Method for evaluating DC resistance"
A method for evaluating the resistance of a 18650 battery manufactured and evaluated according to the present invention will be described below. As resistance, DC resistance was measured from the slope of the current-voltage plot.
実施例1に記述して初期容量を評価した後に、0.5Aの電流で4.2Vまで定電流/定電圧で電池を充電した。30分の休止後、0.5Aの電流で11秒間の放電を実施した。また、30分の休止後、1Aの電流で11秒間の放電を実施し、30分の休止後、2Aの電流で11秒間の放電を実施した。 After evaluating the initial capacity as described in Example 1, the battery was charged at a constant current / constant voltage up to 4.2 V at a current of 0.5 A. After a pause of 30 minutes, discharge was performed for 11 seconds at a current of 0.5 A. In addition, after a 30-minute pause, discharge was performed for 11 seconds at a current of 1 A, and after a pause of 30 minutes, a discharge was performed for 11 seconds at a current of 2 A.
そして、各電流(0.5A、1A、2A)で放電を実施する直前の開回路電圧(OCV)との差分を求め、横軸に評価した電流値、縦軸に電圧の差分(OCV−10秒目電圧)をプロットし、傾きから直流抵抗値を算出し、この値を初期抵抗とした。 Then, the difference from the open circuit voltage (OCV) immediately before the discharge is performed at each current (0.5A, 1A, 2A) is obtained, the current value evaluated on the horizontal axis, and the voltage difference (OCV-10) on the vertical axis. (Second voltage) was plotted, a DC resistance value was calculated from the slope, and this value was taken as the initial resistance.
そして、200サイクル毎の容量確認試験後、同様の手順で直流抵抗を評価して、初期値からの変化を抵抗上昇率として定義した。 And after the capacity | capacitance confirmation test for every 200 cycles, DC resistance was evaluated in the same procedure, and the change from an initial value was defined as a resistance increase rate.
「容量維持率の評価結果」
実施例1〜3並びに比較例1の評価結果を図2に示す。
"Evaluation results of capacity maintenance rate"
The evaluation results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown in FIG.
本図から、電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を添加した実施例1〜3の電池は、VCのみを添加した比較例1よりも、容量の低下が抑制されていることがわかる。そして、実施例1〜3の電池においては、VC及び不飽和スルトンの添加量が多いほど、容量低下が抑制されていることがわかる。 From this figure, the batteries of Examples 1 to 3 in which VC (vinylene carbonate) and 1,3-Prop-1-ene Sultone (chemical formula: C 3 H 4 O 3 S), which are unsaturated sultones, were added to the electrolytic solution. It can be seen that a decrease in capacity is suppressed as compared with Comparative Example 1 in which only VC is added. And in the battery of Examples 1-3, it turns out that a capacity | capacitance fall is suppressed, so that there are much addition amounts of VC and unsaturated sultone.
「抵抗上昇率の評価結果」
実施例1〜3と比較例1の評価結果を図3に示す。
"Evaluation results of resistance increase rate"
The evaluation results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown in FIG.
本図から、電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を添加した実施例1〜3の電池は、VCのみを添加した比較例1よりも、抵抗上昇が抑制されていることがわかる。そして、実施例1〜3の電池においては、VC及び不飽和スルトンの添加量がそれぞれ1wt%である実施例1が最も抵抗上昇が抑制されていることがわかる。 From this figure, the batteries of Examples 1 to 3 in which VC (vinylene carbonate) and 1,3-Prop-1-ene Sultone (chemical formula: C 3 H 4 O 3 S), which are unsaturated sultones, were added to the electrolytic solution. It can be seen that the resistance increase is suppressed as compared with Comparative Example 1 in which only VC is added. And in the battery of Examples 1-3, it turns out that the resistance rise is suppressed most in Example 1 whose addition amount of VC and unsaturated sultone is 1 wt%, respectively.
ここで、VC及び不飽和スルトンを電池の電解液に適用した場合の作用について説明する。 Here, the operation when VC and unsaturated sultone are applied to the battery electrolyte will be described.
VCは、その分子内に存在する二重結合が電気化学的な作用により切断されて正(プラス)に帯電し、負極の表面に吸着して保護膜を形成すると考える。 VC thinks that the double bond existing in the molecule is cleaved by an electrochemical action and is positively (positively) charged and adsorbed on the surface of the negative electrode to form a protective film.
また、不飽和スルトンは、その分子内に硫黄(S)と酸素(O)との結合を有し、分極しているが、末端部の酸素が負(マイナス)に帯電しているため、正極の表面に吸着して保護膜を形成すると考える。 Unsaturated sultone has a bond of sulfur (S) and oxygen (O) in its molecule and is polarized, but the terminal oxygen is negatively (negatively) charged. It is considered that a protective film is formed by adsorbing on the surface.
これらの作用により、抵抗の上昇が抑制されるものと考える。 It is considered that the increase in resistance is suppressed by these actions.
比較例1においては、電解液にVCのみが含まれ、不飽和スルトンが含まれていないため、正極の保護が十分ではなく、実施例1〜3に比べて抵抗が上昇していると考える。 In Comparative Example 1, since only the VC is contained in the electrolytic solution and no unsaturated sultone is contained, the positive electrode is not sufficiently protected, and the resistance is considered to be higher than those in Examples 1 to 3.
「正極活物質の容量維持率の評価結果」
実施例1及び比較例2の評価結果を図4に示す。
“Evaluation results of capacity retention rate of cathode active material”
The evaluation results of Example 1 and Comparative Example 2 are shown in FIG.
本図から、正極活物質をマンガン酸リチウム(スピネルマンガン)単独とした場合は、電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を添加しても、初期から200サイクル目における容量の低下が大きいことがわかる。したがって、本発明の効果は、正極活物質がマンガン酸リチウム(スピネルマンガン)と層状系リチウムMn酸化物との混合物である場合において、より明確になっていることが確認された。 From this figure, when the positive electrode active material is lithium manganate (spinel manganese) alone, VC (vinylene carbonate) and unsaturated sultone, 1,3-Prop-1-ene Sultone (chemical formula: C 3 ) are used as the electrolyte. It can be seen that even when H 4 O 3 S) is added, the capacity is greatly reduced at the 200th cycle from the initial stage. Therefore, it has been confirmed that the effect of the present invention is clearer when the positive electrode active material is a mixture of lithium manganate (spinel manganese) and layered lithium Mn oxide.
「正極活物質の抵抗上昇評価結果」
実施例1及び比較例2の評価結果を図5に示す。
"Evaluation results of resistance increase of positive electrode active material"
The evaluation results of Example 1 and Comparative Example 2 are shown in FIG.
本図から、容量維持率の評価結果と同様に、正極活物質をマンガン酸リチウム(スピネルマンガン)単独とした場合は、電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンである1、3−Prop−1−ene Sultone(化学式:C3H4O3S)を添加しても初期から200サイクル目の抵抗上昇が大きいことがわかる。したがって、本発明の効果は、正極活物質がマンガン酸リチウム(スピネルマンガン)と層状系リチウムMn酸化物との混合物である場合において、より明確になっていることが確認された。 From this figure, similarly to the evaluation result of the capacity retention rate, when the positive electrode active material is lithium manganate (spinel manganese) alone, 1, 3-Prop which is VC (vinylene carbonate) and unsaturated sultone in the electrolytic solution. It can be seen that even when -1-ene Sultone (chemical formula: C 3 H 4 O 3 S) is added, the resistance increase at the 200th cycle from the initial stage is large. Therefore, it has been confirmed that the effect of the present invention is clearer when the positive electrode active material is a mixture of lithium manganate (spinel manganese) and layered lithium Mn oxide.
本発明によれば、マンガン酸リチウム(スピネルマンガン)に層状系リチウムMn酸化物を混合した材料を、リチウムイオン二次電池の正極材料として適用するにあたり、電解液にVC(ビニレンカーボネート)及び不飽和スルトンを同時に添加することにより、容量の低下や抵抗の増加が抑制され、濫用時においても熱的に安定であり、安価であるリチウムイオン二次電池を提供することが可能となる。 According to the present invention, when a material obtained by mixing lithium manganate (spinel manganese) with a layered lithium Mn oxide is used as a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, VC (vinylene carbonate) and unsaturated are used as an electrolyte. By simultaneously adding sultone, a decrease in capacity and an increase in resistance are suppressed, and a lithium ion secondary battery that is thermally stable even at the time of abuse and inexpensive can be provided.
本発明で得られた正極活物質は、従来用いられているコバルト酸リチウム(LiCoO2)などと比較して熱的に安定であることから、安全性に優れた大型リチウムイオン二次電池を必要とする移動体や定置型電力貯蔵の電源への適用が期待できる。 Since the positive electrode active material obtained in the present invention is thermally stable as compared with lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) that has been used conventionally, a large-sized lithium ion secondary battery excellent in safety is required. It can be expected to be applied to power sources for mobiles and stationary power storage.
1:正極板、2:負極板、3:セパレータ、4:電池缶、5:負極リード片、6:密閉蓋部、7:正極リード片、8:パッキン、9:絶縁板。 1: positive electrode plate, 2: negative electrode plate, 3: separator, 4: battery can, 5: negative electrode lead piece, 6: sealing lid, 7: positive electrode lead piece, 8: packing, 9: insulating plate.
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